控制器局域網(wǎng) （CAN） 總線起源于 Robert Bosch GmbH，協(xié)議規(guī)范于 1986 年在汽車工程師協(xié)會(huì) （SAE） 會(huì)議上正式發(fā)布。由英特爾和飛利浦生產(chǎn)的第一款 CAN 控制器芯片于 1987 年上市。1991 年，梅賽德斯-奔馳發(fā)布了第一款采用基于 CAN 的多路布線系統(tǒng)的量產(chǎn)車。它是標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)，可讓汽車大大減小線束尺寸和重量。

已經(jīng)提出了 CAN 連接的替代方案，但 CAN 仍然存在并且正在增長(zhǎng)。事實(shí)上，它的用途正在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出汽車領(lǐng)域，并擴(kuò)展到工廠自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 等多種領(lǐng)域。CAN 收發(fā)器是可以增強(qiáng)您的設(shè)計(jì)的眾多模擬構(gòu)建模塊之一。你甚至可以稱他們?yōu)槟M英雄。

CAN 總線類型

CAN 2.0A 設(shè)備協(xié)議使用 11 位標(biāo)識(shí)符，使用 29 位標(biāo)識(shí)符的協(xié)議通常稱為 CAN 2.0B。羅伯特波什仍然是領(lǐng)先的規(guī)格。根據(jù)維基百科，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于 1993 年發(fā)布了 CAN 標(biāo)準(zhǔn) ISO 11898，后來又被重組為兩部分。ISO 11898-1 涵蓋數(shù)據(jù)鏈路層，而 ISO 11898-2 涵蓋高速 CAN 的物理層。ISO 11898-3 稍后發(fā)布，涵蓋了低速容錯(cuò) CAN 的物理層。

SAE J1939 標(biāo)準(zhǔn)是卡車和公共汽車廣泛使用的 CAN 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CAN 總線是車載診斷 （OBD）-II 車輛診斷標(biāo)準(zhǔn)中使用的五種協(xié)議之一，自 1996 年以來在美國(guó)和自 2001 年以來在歐洲銷售的所有汽車和輕型卡車都強(qiáng)制要求該標(biāo)準(zhǔn)。

CAN的替代品

CAN 的替代品包括本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 總線和 Flexray。LIN 總線比 CAN 更便宜。LIN 不是 CAN 總線的完全替代品，但在低成本且速度/帶寬不重要的情況下，它是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在汽車應(yīng)用中，它通常用于對(duì)車輛性能或安全性不重要的子系統(tǒng)中。Flexray 自 2000 年以來一直在開發(fā)，用于 2006 年生產(chǎn)的寶馬，現(xiàn)在用于大多數(shù)德國(guó)汽車和 SUV。它可實(shí)現(xiàn)更快的 10Mbps 數(shù)據(jù)速率和確定的時(shí)間響應(yīng)，并且設(shè)計(jì)為冗余。但是，它比 CAN 昂貴且復(fù)雜得多，并且只有 24m 的范圍。還有用于信息娛樂系統(tǒng)的 MOST 網(wǎng)絡(luò)。

將 CAN 擴(kuò)展到工業(yè)世界

豪華車有多達(dá)150個(gè)汽車ECU來控制和調(diào)節(jié)各種功能，現(xiàn)在每輛新車至少有70個(gè)ECU。這些 ECU 必須相互交流，同時(shí)控制動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車身和底盤的幾乎所有方面。CAN 將每個(gè)功能與各種 ECU 連接起來——從門鎖到制動(dòng)器、油門踏板和尾燈。它的流行源于非常高的可靠性和簡(jiǎn)單性——具有低成本和低功耗。

CAN 總線使用簡(jiǎn)單的 25Kbps 到 1Mbps 雙絞線連接。芯片現(xiàn)在可用于實(shí)現(xiàn) 2Mbps 數(shù)據(jù)。總線將在 50Kbps 時(shí)達(dá)到 1000m 或在 1Mbps 時(shí)達(dá)到 40m。CAN 的汽車普及源于開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)的優(yōu)雅方式，可確保在具有安全意識(shí)的汽車環(huán)境中進(jìn)行可預(yù)測(cè)的無差錯(cuò)通信。這些特性也可以在工廠車間得到很好的利用。

CAN 在一對(duì)電線上以差分方式承載。這種差分特性意味著 CAN 能夠抑制共模噪聲。由于差分通信的電場(chǎng)傾向于相互抵消，該結(jié)構(gòu)還減少了發(fā)射。

使用需要大電流來啟動(dòng)、停止和運(yùn)行的電機(jī)的工業(yè)系統(tǒng)是 CAN 大放異彩的一個(gè)很好的例子。電機(jī)的電磁輻射會(huì)導(dǎo)致 RS-485 或類似通信中出現(xiàn)大量錯(cuò)誤，而 CAN 能夠通過。除了物理可靠性之外，CAN 還包括其他功能以確保穩(wěn)健性，包括循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 和啟用錯(cuò)誤檢測(cè)的確認(rèn)。

作為總線拓?fù)溥\(yùn)行需要設(shè)備了解何時(shí)可以傳輸。CAN 使用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問 （CSMA/CD），它也用于以太網(wǎng)。當(dāng)一個(gè)設(shè)備想要傳輸它的信息時(shí)，它必須感知總線是否空閑并且沒有被使用。碰撞檢測(cè)允許它檢測(cè)總線上的另一個(gè)設(shè)備何時(shí)嘗試在完全相同的時(shí)間進(jìn)行傳輸。CAN 使用優(yōu)先級(jí)機(jī)制進(jìn)行總線管理。

隨著 CAN 總線變得非常流行，競(jìng)爭(zhēng)供應(yīng)商做出了不同的實(shí)施。每個(gè)實(shí)現(xiàn)都有不同的網(wǎng)絡(luò)層，即使物理層是通用的。CANopen 旨在實(shí)現(xiàn)兼容性，以便設(shè)計(jì)人員可以選擇支持 CAN 的設(shè)備并知道它們會(huì)相互作用。它在用于自動(dòng)化應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)中最為流行。在 OSI 模型方面，CANopen 實(shí)現(xiàn)了上面的層，包括網(wǎng)絡(luò)層。

比較 CAN 與 RS-485

與 RS-485 等通信協(xié)議相比，CAN 不僅提供了通信的物理介質(zhì)，還提供了尋址數(shù)據(jù)包（消息）、避免數(shù)據(jù)沖突、檢測(cè)傳輸數(shù)據(jù)中的故障、自動(dòng)重復(fù)受干擾的所有其他機(jī)制。消息，并確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性。此外，CAN 指定了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，包括消息標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)和控制字節(jié)。RS-485 連接僅尋址第 1 層（物理層），CAN 還在 OSI 模型中添加第 2 層（數(shù)據(jù)鏈路層）。因此，CAN 是一種實(shí)時(shí)兼容的解決方案。根據(jù)消息 ID 的優(yōu)先級(jí)，可以預(yù)測(cè)每個(gè) CAN 消息的最大延遲時(shí)間，而與總線負(fù)載或其他節(jié)點(diǎn)的性能無關(guān)。

CAN 具有先進(jìn)的錯(cuò)誤管理。如果消息沒有被節(jié)點(diǎn)正確接收（CRC 或格式錯(cuò)誤），則消息會(huì)被接收者通過錯(cuò)誤幀銷毀，并標(biāo)記為對(duì)所有節(jié)點(diǎn)無效。此操作會(huì)在 CAN 控制器中啟動(dòng)自動(dòng)重復(fù)。

CAN實(shí)現(xiàn)

這些共同采取的措施（簡(jiǎn)短消息、差分傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)和故障排除、有缺陷的節(jié)點(diǎn)撤出）使 CAN 成為一個(gè)非常健壯、安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)。這就是為什么 CAN 被用于車輛、船舶、電梯、醫(yī)療設(shè)備、飛機(jī)和工廠等許多關(guān)鍵或安全相關(guān)應(yīng)用中的原因。

由于 CAN 協(xié)議在硬件中的完全實(shí)現(xiàn)，微控制器系統(tǒng)的負(fù)載減少（每條消息只有一個(gè)中斷）。許多供應(yīng)商和幾乎所有可用的 MCU 都提供各種第 7 層協(xié)議，例如 CANopen、DeviceNet 和 J1939，從而降低了風(fēng)險(xiǎn)并加快了上市時(shí)間。

堅(jiān)固耐用的低電流收發(fā)器 IC

汽車應(yīng)用顯然需要符合汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的 IC。對(duì)于該領(lǐng)域之外的應(yīng)用，例如前面提到的工業(yè)自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)示例，這里有幾個(gè)很好的 CAN 收發(fā)器 IC 可以滿足這些應(yīng)用需求。MAX3051是一款3.3V、1Mbps、低電源電流CAN收發(fā)器IC，主要用于不需要汽車行業(yè)規(guī)定的嚴(yán)格故障保護(hù)的應(yīng)用。它有四種操作模式：高速、斜率控制、待機(jī)和停機(jī)。在斜率控制模式下，發(fā)送器的壓擺率可以調(diào)整為高達(dá) 500Kbps 的數(shù)據(jù)速率。這減少了由不正確端接的電纜引起的 EMI 和反射，并可能允許使用非屏蔽雙絞電纜。

圖 2. 一個(gè)基本的 MAX3051 收發(fā)器電路。

MAX3051輸入共模范圍為-7V至+12V，超過ISO 11898規(guī)范。它采用 8 引腳 SO 和 SOT23 封裝，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。該芯片提供 ±12kV HBM ESD 保護(hù)、熱關(guān)斷和電流限制。

另一個(gè)值得注意的 CAN 收發(fā)器 IC 是MAX13054A。這款 2Mbps CAN 收發(fā)器具有高保護(hù)等級(jí)和 8 引腳 SO 封裝。它具有 ±65V 過壓故障保護(hù)和 ±25kV 高 ESD HBM 保護(hù)，以及 ±25V 的輸入共模范圍、短路保護(hù)和熱關(guān)斷功能。一個(gè)非常該死的堅(jiān)固設(shè)備。

該芯片提供非常廣泛的 1.62 至 5.5V 邏輯電源范圍，以緩解接口困難。在待機(jī)模式下，發(fā)射器關(guān)閉，接收器切換到低電流/低速狀態(tài)。監(jiān)控總線線路以檢測(cè)喚醒事件。待機(jī)模式僅需要 11μA 的電源電流。收發(fā)器包含顯性超時(shí)，以防止由控制器錯(cuò)誤或 TXD 輸入故障引起的總線鎖定。大型網(wǎng)絡(luò)上的最大速度可能會(huì)受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量、電纜類型或短截線長(zhǎng)度的限制。該芯片的溫度范圍為 -40° 至 125°C，采用 8 引腳 SOIC 封裝 （MAX13054AEASA+）。

圖 3. 使用 MAX13054A 收發(fā)器的多點(diǎn) CAN 總線。

MAX13054（無A后綴）有點(diǎn)不同。此版本完全兼容 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)，具有符合 IEC 61000-4-2 的 ±8kV ESD 和 ±80V 故障保護(hù)。其他規(guī)格，包括封裝，與 MAX13054A 類似。它可用于汽車或擴(kuò)展溫度范圍。

強(qiáng)大的 CAN 接口

出于很好的原因，它仍然受到設(shè)計(jì)工程師的歡迎。人氣還在增長(zhǎng)。在可預(yù)見的未來，CAN 總線將成為一股重要的力量，并為各種應(yīng)用領(lǐng)域的許多通信需求提供很好的解決方案。

審核編輯：郭婷